JP4873038B2

JP4873038B2 - 過給機付き直噴エンジン

Info

Publication number: JP4873038B2
Application number: JP2009086953A
Authority: JP
Inventors: 光夫人見; 正尚山川; 敏朗西本; 隆養祖; 啓二荒木
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: EP2239447A1; EP2239447B1; US9328688B2; US20100242899A1; JP2010236467A

Description

本発明は、吸入空気を加圧する過給機と、燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタとを備えるとともに、圧縮自己着火による燃焼が行われるＨＣＣＩ領域が少なくとも一部の運転領域に設定された過給機付き直噴エンジンに関する。

従来、下記特許文献１に示されるように、直噴式の燃料噴射装置と点火プラグとを備えた内燃機関において、圧縮行程前半までの期間に第１の燃料噴射を行い、この燃料噴射により形成された混合気に対し火花点火することで１段目の燃焼を行うとともに、その後に実行される第２の燃料噴射により噴射された燃料を続けて燃焼させ、この燃焼に伴う燃焼室内の温度・圧力の上昇により残りの燃料を自己着火させて２段目の燃焼を行うようにしたものが知られている。

特開２００２−２７６４４２号公報

上記特許文献１に開示された技術によれば、火花点火による１段目の燃焼をきっかけに、自己着火による２段目の燃焼を行わせることにより、自己着火時期を確実に制御できる等の利点が得られる。しかしながら、上記特許文献１では、１段目の燃焼が火花点火によるものであるため、圧縮自己着火燃焼により本来得られるはずの利点が損なわれてしまうおそれがある。すなわち、１段目の燃焼が圧縮自己着火燃焼ではなく火花点火によるものであるため、点火プラグ周りに比較的濃い混合気を配す必要があり、燃焼効率が低下して燃費改善効果が損なわれるとともに、燃焼温度が高くなることが避けられず、高温燃焼により比較的多くのＮＯｘが排出されてしまうおそれがある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、圧縮自己着火燃焼による燃費改善やＮＯｘ低減等の効果をより高めることが可能な過給機付き直噴エンジンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、吸入空気を加圧する過給機と、燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタとを備えるとともに、圧縮自己着火による燃焼が行われるＨＣＣＩ領域が少なくとも一部の運転領域に設定された過給機付き直噴エンジンであって、上記過給機による過給に応じ、自然吸気時と比べて最大で２倍以上の空気が燃焼室に充填可能とされ、上記ＨＣＣＩ領域の高負荷側の一部に、過給条件下での圧縮自己着火燃焼が行われる過給ＨＣＣＩ領域が設定され、この過給ＨＣＣＩ領域では、負荷が高いほど上記過給機による過給量が増大されることにより、空気過剰率λが２以上となるリーンでかつ一定の空燃比に維持されるとともに、圧縮行程中を含む複数のタイミングで上記インジェクタから燃料を噴射させる分割噴射が実行されることを特徴とするものである（請求項１）。

本発明の過給機付き直噴エンジンでは、ＨＣＣＩ領域のうち相対的に負荷の高い過給ＨＣＣＩ領域で、比較的多量の空気を過給することにより空気過剰率λが２以上となるリーンな空燃比を負荷にかかわらず実現し、このようなリーンでかつ一定の空燃比下で圧縮自己着火による燃焼を行わせるようにしたため、過給を利用して混合気をある程度高温・高圧化することにより、リーンな空燃比下でも混合気を確実に自着火させて燃焼させることができるとともに、負荷に応じた過給量の増大により十分なエンジン出力を適正に確保することができる。また、上記過給ＨＣＣＩ領域で燃料の分割噴射を実行することにより、負荷が比較的高いために急峻な圧縮自己着火燃焼が起き易い状況で燃焼を緩慢化することができ、燃焼圧力が急激に上昇することによる燃焼騒音（ディーゼルノックに似た大きな騒音）の発生や、燃焼最大圧力の増大によるエンジンの信頼性低下を効果的に防止することができる。

しかも、本発明によれば、自然吸気時の２倍以上の空気を燃焼室に充填可能なように過給能力を高めることにより、上記過給ＨＣＣＩ領域においてλ≧２というかなりリーンな空燃比を維持しつつ、理論空燃比のときと同等もしくはそれ以上のエンジン出力を得ることができる。

そして、上記過給ＨＣＣＩ領域を含む運転領域で、エンジン出力の確保や燃焼騒音の防止等を図りながら確実に圧縮自己着火燃焼を行わせることにより、圧縮自己着火燃焼で運転可能な領域（ＨＣＣＩ領域）をより拡大することができ、その結果、燃料消費量を効果的に削減しつつ、混合気の燃焼温度を低く抑えて燃焼室から排出されるＮＯｘの量をより低減できるという利点がある。

本発明において、好ましくは、上記ＨＣＣＩ領域のうち上記過給ＨＣＣＩ領域よりも低負荷側の領域では、１回の圧縮自己着火燃焼が実行され、上記過給ＨＣＣＩ領域では、燃料の分割噴射により連続した複数回の圧縮自己着火燃焼が実行される（請求項２）。

この構成によれば、低負荷域での燃焼の安定化を図りながら、相対的に負荷が高い領域では燃料を分割噴射して連続した複数回の燃焼を行わせることにより、全体的に燃焼を緩慢化させて燃焼騒音の発生やエンジンの信頼性低下を防止しつつ、負荷に応じた高いエンジン出力を適正に確保できるという利点がある。

本発明において、好ましくは、上記ＨＣＣＩ領域における有効圧縮比が約１５以上に設定される（請求項３）。

このように、圧縮自己着火燃焼が行われる上記ＨＣＣＩ領域において圧縮比を通常のガソリンエンジンよりもかなり高い値（約１５以上）に設定し、これによって高温・高圧化した燃焼室で圧縮自己着火燃焼を行わせるようにした場合には、理論空燃比よりもリーンな空燃比下でより確実に圧縮自己着火燃焼を引き起こすことができる等の利点がある。

本発明において、好ましくは、上記ＨＣＣＩ領域よりも高負荷側に設定されたＳＩ領域で、点火プラグを用いた火花点火による燃焼が実行される（請求項４）。

この構成によれば、エンジンの高負荷域で火花点火によりコントロールされた燃焼を行わせることにより、高負荷域に見合う十分な燃焼エネルギーを確保しつつ、大きな燃焼騒音が発生するのを効果的に防止できるという利点がある。

上記ＳＩ領域では、理論空燃比よりもリーンな空燃比が維持されるとともに、上記点火プラグから火花を連続して複数回放電する多重点火が実行されることが好ましい（請求項５）。

この構成によれば、連続的な火花放電を行って火炎核のエネルギーを増大させることにより、負荷が高くかつ空燃比がリーンな状態で混合気を確実に着火させることができるという利点がある。

また、上記のようにＳＩ領域で理論空燃比よりもリーンな空燃比が維持される場合、上記ＳＩ領域では、上記点火プラグからプラズマを噴出させるプラズマジェット点火が実行されるようになっていてもよい（請求項６）。

この構成によれば、極めてエネルギーの高いプラズマを噴出させることにより混合気を確実に着火させることができるという利点がある。

以上説明したように、本発明によれば、圧縮自己着火燃焼による燃費改善やＮＯｘ低減等の効果をより高めることが可能な過給機付き直噴エンジンを提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる過給機付き直噴エンジンの全体構成を示す図である。エンジン本体の断面図である。上記エンジンの制御系を示すブロック図である。上記エンジンの制御時に参照される制御マップの一例を示す図である。エンジン負荷に応じた有効圧縮比の変化を示す図である。エンジン負荷に応じた空燃比の変化を示す図である。エンジン負荷に応じた過給量の変化を示す図である。燃料を一括で噴射した場合に生じる燃焼圧力の変化を示す図であり、（ａ）が燃料噴射量を、（ｂ）が燃焼圧力をそれぞれ示している。燃料を２回に分割して噴射した場合に生じる燃焼圧力の変化を示す図であり、（ａ）が燃料噴射量を、（ｂ）が燃焼圧力をそれぞれ示している。燃料を３回に分割して噴射した場合に生じる燃焼圧力の変化を示す図であり、（ａ）が燃料噴射量を、（ｂ）が燃焼圧力をそれぞれ示している。図６〜図１０に示したような圧縮比や空燃比、過給量、噴射時期等の制御により実現される燃焼の形態を負荷と燃焼期間との関係で示す図である。過給機を備えない自然吸気エンジンにおいて圧縮自己着火による燃焼が可能な領域を示す図である。高負荷域で燃焼を一括噴射した場合に生じる燃焼圧力の上昇率を示す図である。本発明の他の実施形態を説明するための図である。

図１は、本発明の一実施形態にかかる過給機付き直噴エンジンの全体構成を示す図であり、図２は、そのエンジン本体１の具体的構成を示す断面図である。これらの図に示されるエンジンは多気筒ガソリンエンジンであり、そのエンジン本体１には複数の気筒（図示の例では４つの気筒１Ａ〜１Ｄ）が設けられ、各気筒１Ａ〜１Ｄにはそれぞれピストン２（図２）が嵌挿されている。ピストン２はコネクティングロッド４を介してクランク軸３と連結されており、上記ピストン２の往復運動に応じて上記クランク軸３が軸回りに回転するようになっている。

上記ピストン２の上方には燃焼室５が形成され、燃焼室５に吸気ポート６および排気ポート７が開口し、各ポート６，７を開閉する吸気弁８および排気弁９がエンジン本体１の上部に設けられている。なお、図例のエンジンはいわゆるダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンであり、各気筒につき上記吸気弁８および排気弁９がそれぞれ２つずつ設けられている。そして、これら吸気弁８および排気弁９の上方に、クランク軸３と連動して回転するカム軸４０，４１（図２）が設けられ、各カム軸４０，４１にそれぞれ取り付けられた複数のカム４０ａ，４１ａにより、上記吸排気弁８，９が個別に開閉駆動されるようになっている。

上記エンジン本体１には、吸気弁８の閉じ時期を変更可能にするバルブタイミング可変機構（Variable Valve Timing Mechanism）としてのＶＶＴ４２が設けられている。

上記ＶＶＴ４２は、例えば位相式の可変機構からなり、上記クランク軸３に対する吸気用のカム軸４０の回転位相を、エンジンの運転状態に応じて変更し得るように構成されている。このＶＶＴ４２の構造は従来から種々知られているためその詳細な説明は省略するが、例えばタイミングベルトを介してクランク軸の回転が伝動されるカムプーリとカム軸との間に、両者を相対回転可能とする位相変更用部材が組み込まれ、この部材が油圧もしくは電動で駆動される構造となっている。

なお、バルブタイミング可変機構として、バルブリフト量を変更することで吸気弁８の閉じ時期を変更する可変機構を設けてもよい。また、このようなバルブリフト量の可変機構と、上述した位相式の可変機構とを組み合わせて用いることにより、有効圧縮比の変更制御と吸排気弁８，９のオーバーラップ量の制御とを同時に行い得るようにしてもよい。

また、図２に示すように、エンジン本体１には、そのクランク軸３の回転速度を検出するエンジン回転速度センサ６１と、エンジンの冷却水の温度を検出する水温センサ６２と、燃焼室５の圧力を検出する筒内圧センサ６３とが設けられている。

図１および図２に示すように、上記エンジン本体１には、燃焼室５に直接燃料を噴射するインジェクタ１０と、燃焼室５に着火用の火花を放電する点火プラグ１１とが、各気筒につきそれぞれ１つずつ設けられている。なお、図示の例では、上記インジェクタ１０および点火プラグ１１がともに燃焼室５の上部中央付近に配置されている。すなわち、上記インジェクタ１０および点火プラグ１１は、その先端がともに燃焼室５の上部中央付近に位置するように近接配置されており、また、干渉を避けるために互いに異なる角度に傾いた姿勢で燃焼室５を斜め上方から臨むように取り付けられている。

上記点火プラグ１１は、火花放電用の電力を生成する点火回路装置１２と電気的に接続されており、この点火回路装置１２からの給電に応じて、上記点火プラグ１１から所定のタイミングで火花が放電されるようになっている。なお、当実施形態では、上記点火プラグ１１からの火花放電を連続して複数回実施するいわゆる多重点火が可能な構成となっている。

上記インジェクタ１０については、通常のガソリンエンジンに使用されるインジェクタの燃料噴射圧力よりもかなり大きな圧力で燃料（ガソリン）を噴射し得る構造となっている。具体的に、通常の直噴ガソリンエンジンで用いられるインジェクタの噴射圧力が２０ＭＰａ程度であるのに対し、当実施形態のインジェクタ１０は、１００ＭＰａ以上の高い噴射圧力で燃料を噴射し得るように構成されている。

上記のように燃料を高圧化して噴射するには、その噴射方式として、例えばディーゼルエンジンの分野で最近用いられているコモンレール方式（燃料供給ポンプから圧送された燃料を蓄圧用のコモンレールで高圧化した上でインジェクタに供給する方式）を採用することが考えられる。もちろん、１００ＭＰａ以上の高圧の噴射圧力が得られるものであれば、上記コモンレール方式に限らず各種方式を採用可能である。

また、上記インジェクタ１０は、その先端のノズル部に複数の噴射口が設けられた多噴口型のインジェクタとして構成されている。これは、高圧化された燃料を複数の噴射口から分散して噴射することにより、燃焼室５内での燃料の微粒化を促進するためである。

さらに、上記インジェクタ１０から必要な時期に正確に燃料を噴射し得るようにするため、当実施形態では、上記インジェクタ１０として、例えばコモンレール式ディーゼルエンジン等の分野で既に実用化されているピエゾ素子（圧電素子）を用いたインジェクタが使用される。すなわち、当実施形態のエンジンでは、所定の運転領域で燃料を複数回に分けて噴射するなど、精密な燃料噴射制御が必要であるため（詳細は後述する）、飛躍的な速さでＯＮ／ＯＦＦの切り替えが可能なピエゾ素子を用いた電子制御式のインジェクタが上記インジェクタ１０として使用される。これにより、インジェクタ１０から噴射される燃料の噴射時間や噴射タイミングをより高い精度で制御することが可能になる。

また、一般的なガソリンエンジンと異なる特徴として、当実施形態のエンジンは、その圧縮比がかなり高めに設定されている。具体的には、通常の直噴ガソリンエンジンの幾何学的圧縮比が約９〜１１程度であるのに対し、当実施形態のエンジンは、幾何学的圧縮比が約１８に設定されている。なお、吸気弁８の閉タイミングに基づき定まる実質的な圧縮比（有効圧縮比）については、後述するように、圧縮比１８以下の範囲で可変的に設定される。

図１および図２を用いて再びエンジンの全体構成について説明する。上記エンジン本体１の吸気ポート６および排気ポート７には、吸気通路１３および排気通路１９がそれぞれ接続されている。

上記吸気通路１３は、燃焼用の空気を燃焼室５に供給するための通路であり、図１に示すように、気筒別に分岐した複数の分岐通路部１４と、その上流側に共通に設けられた共通通路部１５とを有している。

上記排気通路１９は、上記燃焼室５で生成された既燃ガス（排気ガス）を排出するための通路であり、上記吸気通路１３と同様、気筒別に分岐した複数の分岐通路部２０と、その下流側に共通に設けられた共通通路部２１とを備えている。

上記吸気通路１３の共通通路部１５のうち、後述するコンプレッサ２７よりも上流側には、上記共通通路部１５を通過する吸入空気の流量を検出するエアフローセンサ６０が設けられている。

また、上記共通通路部１５には、吸入空気量を調節するスロットル弁１６が設けられている。このスロットル弁１６は、アクチュエータ１７により開閉駆動される電子制御式のスロットル弁である。すなわち、運転者により踏み込み操作される図外のアクセルペダルにアクセル開度センサ６４（図３）が設けられ、当該センサの検出値（つまりアクセルペダルの検出開度）や、エンジンの運転状態等に応じて、後述するＥＣＵ５０（図３）が適切なスロットル弁１６の開度を演算するとともに、その開度に応じた駆動信号が上記アクチュエータ１７に入力されてスロットル弁１６が開閉駆動されるようになっている。

図１に示すように、当実施形態のエンジンには、大型過給機２５および小型過給機３０からなる２つの過給機が設けられている。

上記大型過給機２５は、排気通路１９の共通通路部２１に設けられたタービン２６と、吸気通路１３の共通通路部１５に設けられたコンプレッサ２７と、これらタービン２６およびコンプレッサ２７どうしを連結する連結軸２８とを有しており、排気ガスのエネルギーを受けて上記タービン２６が回転すると、これと連動してコンプレッサ２７が高速回転することにより、上記吸気通路１３を通過する空気（吸入空気）が加圧されて燃焼室５へと圧送されるようになっている。なお、上記コンプレッサ２７は比較的大型のインペラからなり、このような大型のコンプレッサ２７により吸気を圧縮する上記大型過給機２５は、排気ガスのエネルギーが大きい高回転・高負荷域で主に高い過給性能を発揮する。

上記小型過給機３０は、排気通路１９の共通通路部２１に設けられたタービン３１と、吸気通路１３の共通通路部１５に設けられたコンプレッサ３２と、これらタービン３１およびコンプレッサ３２どうしを連結する連結軸３３と、この連結軸３３を回転駆動する電動モータ３４とを有している。なお、上記小型過給機３０のコンプレッサ３２は、上記大型過給機２５のコンプレッサ２７よりも小型のインペラから構成されている。このため、排気ガスのエネルギーがあまり大きくない運転領域でも、上記コンプレッサ３２が比較的容易に回転して吸気を加圧する。また、例えば低回転・低負荷域から加速等により負荷が急激に高まったような場合には、上記電動モータ３４が必要に応じて作動することにより、上記コンプレッサ３２の回転がアシストされて素早い応答性で過給が行われるようになっている。

上記排気通路１９の共通通路部２１には、上記小型過給機３０のタービン３１をバイパスするための第１バイパス配管３５が設けられている。この第１バイパス配管３５には第１バイパスバルブ３６が設けられており、当該バルブ３６の開閉に応じて排気経路が切り替えられるようになっている。すなわち、上記第１バイパスバルブ３６が閉弁されると、排気ガスがタービン３１に流入してタービン３１およびコンプレッサ３２が回転駆動される一方、上記バイパスバルブ３６が開弁されると、排気ガスが主に第１バイパス配管３５を通過する（つまりタービン３１をバイパスする）ことにより、上記タービン３１等の回転が抑制されるようになっている。

同様に、上記吸気通路１０の共通通路部１５には、上記小型過給機３０のコンプレッサ３２をバイパスするための第２バイパス配管３７が設けられている。この第２バイパス配管３７には第２バイパスバルブ３８が設けられており、当該バルブ３８の開閉に応じて吸気経路が切り替えられるようになっている。すなわち、上記第２バイパスバルブ３８が閉弁されると、吸入空気が上記コンプレッサ３２に流入して加圧される一方、上記バイパスバルブ３８が開弁されると、吸入空気が主に第２バイパス配管３７を通過してコンプレッサ３２をバイパスするようになっている。

また、上記吸気通路１３の共通通路部１５におけるコンプレッサ３２よりも下流側には、過給により温度上昇した空気を冷却するためのインタークーラ１８が設けられている。

図３は、エンジンの制御系を示すブロック図である。本図に示されるＥＣＵ５０は、エンジンの各部を統括的に制御するための制御装置であり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。

上記ＥＣＵ５０には、各種センサ類からの検出信号が入力される。すなわち、ＥＣＵ５０は、上記エアフローセンサ６０、エンジン回転速度センサ６１、水温センサ６２、筒内圧センサ６３、およびアクセル開度センサ６４と電気的に接続されており、これら各種センサ類からの検出信号が上記ＥＣＵ５０に逐次入力されるようになっている。

また、上記ＥＣＵ５０は、上記インジェクタ１０、点火プラグ１１用の点火回路装置１２、スロットル弁１６用のアクチュエータ１７、小型過給機３０用の電動モータ３４、第１・第２バイパスバルブ、およびＶＶＴ４２とも電気的に接続されており、これらの装置にそれぞれ駆動用の制御信号を出力するように構成されている。

図４は、上記ＥＣＵ５０がエンジンを制御する際に参照する制御マップを示す図である。本図において、高回転・高負荷域を除く比較的広範な領域に設定されたＨＣＣＩ領域Ａは、圧縮自己着火による燃焼が実行される運転領域であり、これ以外の領域に設定されたＳＩ領域Ｂは、火花点火による燃焼が実行される運転領域である。すなわち、ＨＣＣＩ領域Ａでは、吸気行程時等に燃料が噴射されることで生成された混合気が圧縮上死点の前後で自着火するように燃焼が制御される一方、ＳＩ領域Ｂでは、点火プラグ１１からの火花点火により混合気が強制的に着火され、火炎伝播していくことで燃焼が起きるようになっている。

上記ＨＣＣＩ領域Ａは、圧縮比や空燃比等の燃焼条件の相違に応じてさらに２つの領域Ａ１，Ａ２に分けられる。すなわち、両領域Ａ１，Ａ２のうち、低負荷側を第１ＨＣＣＩ領域Ａ１、高負荷側を第２ＨＣＣＩ領域Ａ２とすると、これら第１・第２ＨＣＣＩ領域Ａ１，Ａ２では、圧縮比や空燃比等の燃焼条件が変更された上で、いずれも圧縮自己着火による燃焼が行われるようになっている。当実施形態では、このように燃焼条件を種々変更しながら圧縮自己着火による燃焼を行わせることで、圧縮自己着火が可能な運転領域を比較的高負荷側まで拡大するようにしている。なお、本発明の構成との対応関係としては、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２が、本発明にかかる「過給ＨＣＣＩ領域」に相当し、上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１が、本発明にかかる「ＨＣＣＩ領域のうち過給ＨＣＣＩ領域よりも低負荷側の領域」に相当する。

再び図３に戻って、上記ＥＣＵ５０が有する具体的な機能について説明する。ＥＣＵ５０は、その主な機能要素として、バルブタイミング制御手段５１、インジェクタ制御手段５２、点火制御手段５３、過給制御手段５４、および運転状態判定手段５５を有している。

上記バルブタイミング制御手段５１は、上記ＶＶＴ４２の動作を制御することにより、吸気弁８の閉じ時期をエンジンの運転状態に応じて適宜変更するものである。すなわち、吸気弁８は、通常、吸気下死点の遅角側の近傍（吸気下死点をわずかに過ぎたタイミング）で閉じられるが、エンジンの運転状態によっては、上記バルブタイミング制御手段５１によりＶＶＴ４２が駆動されて上記吸気弁８の閉じ時期が吸気下死点よりも大幅に遅く設定される。これにより、圧縮行程の実質的な開始時期が遅らされ、エンジンの実質的な圧縮比（有効圧縮比）が低下する。このことから、当実施形態では、エンジンの圧縮比を可変的に設定するための手段が、上記吸気弁８の閉じ時期を変更するＶＶＴ４２と、その動作を制御するバルブタイミング制御手段５１とにより構成されている。なお、上述したように、当実施形態のエンジンの幾何学的圧縮比が約１８であることから、上記ＶＶＴ４２およびバルブタイミング制御手段５１の制御動作に応じ、有効圧縮比は約１８以下の範囲で可変的に設定される。

上記インジェクタ制御手段５２は、上記インジェクタ１０による燃料の噴射動作を制御することにより、上記インジェクタ１０から燃焼室５に噴射される燃料の噴射時間（噴射量）や噴射時期を制御するものである。特に、圧縮比がかなり高めに設定されている当実施形態のエンジンにおいて、上記インジェクタ制御手段５２は、インジェクタ１０からの燃料の噴射時期を運転状態に応じて適宜変更することにより、筒内の燃焼圧力（混合気の燃焼により生じる筒内圧力）の上昇率を制御する役割を担っている。

すなわち、圧縮比が通常のガソリンエンジンよりもかなり高く、しかも圧縮自己着火による燃焼が比較的広範な運転領域で行われる当実施形態のエンジンでは、その高負荷域において、筒内の燃焼圧力が急上昇することにより大きな騒音や振動が発生するおそれがある。そこで、当実施形態では、エンジン負荷がある程度高まったときに、上記インジェクタ制御手段５２による制御に基づき、インジェクタ１０からの燃料の噴射時期を、燃焼室５内での燃焼が緩慢化されるような時期に変更することにより、上記燃焼圧力の上昇率を低下させるようにしている。

上記点火制御手段５３は、上記点火回路装置１２から点火プラグ１１への給電を制御することにより、上記点火プラグ１１による火花放電のタイミング等を制御するものである。

上記過給制御手段５４は、上記電動モータ３４や第１・第２バイパスバルブ３６，３８の動作を制御することにより、上記大型過給機２５および小型過給機３０により過給される空気の量（過給量）を制御するものである。

上記運転状態判定手段５５は、上記各種センサ６０〜６４の検出値に基づくエンジン負荷（要求トルク）や回転速度等から特定されるエンジンの運転状態が、図４に示した制御マップの中でどの位置に相当するかを判定するものである。この判定結果は、上述した各制御手段５１〜５４が行う制御の内容に反映される。すなわち、上記運転状態判定手段５５によりエンジンの運転状態が逐次判定されると、その判定結果に応じた条件でエンジンの各部（例えばＶＶＴ４２、インジェクタ１０、点火回路装置１２、電動モータ３４等）を駆動する制御が、上記バルブタイミング制御手段５１、インジェクタ制御手段５２、点火制御手段５３、および過給制御手段５４によりそれぞれ実行されるようになっている。

図５〜図７は、エンジン負荷に応じた圧縮比（有効圧縮比）、空燃比、過給量の制御例を示す図である。なお、これらの図に例示される圧縮比や空燃比等の値は、基本的にエンジンの温間時（エンジンの冷却水の温度が所定値以上であるとき）において設定される値であり、エンジンの冷間時にはその値が必要に応じ適宜変更されるものとする。

具体的に、図５〜図７では、エンジンの運転状態が、図４の制御マップ上でラインＬのように変化した場合に、上記圧縮比や空燃比等がどのように変化するかが示されている。図４のラインＬは、ＨＣＣＩ領域Ａが存在する回転速度域においてエンジン負荷が無負荷から最高負荷まで変化する様子を表わしている。このため、エンジンは、まず圧縮自己着火による燃焼で運転され、負荷の増大に伴って火花点火による燃焼に移行することになる。

まず、図５を用いて圧縮比（有効圧縮比）の変化について説明する。なお、図５では、第１ＨＣＣＩ領域Ａ１と第２ＨＣＣＩ領域Ａ２との境界となる負荷点をＰ、第２ＨＣＣＩ領域Ａ２とＳＩ領域Ｂとの境界となる負荷点をＱ、ＳＩ領域Ｂの上限である最高負荷点をＭとしてそれぞれ表わしている。

図５に示すように、当実施形態における圧縮比は、第１ＨＣＣＩ領域Ａ１における有効圧縮比が約１８に維持される一方、第２ＨＣＣＩ領域Ａ２では、負荷の増大とともに有効圧縮比が１８から１５程度まで徐々に下げされ、また、ＳＩ領域Ｂでは、有効圧縮比が１４程度までさらに下げられる。具体的には、図５の原点（無負荷状態）から、第１ＨＣＣＩ領域Ａ１と第２ＨＣＣＩ領域Ａ２との境界である負荷点Ｐに至るまで、有効圧縮比が一律に約１８（つまり幾何学的圧縮比とほぼ同じ値）に維持される一方、上記負荷点Ｐよりも高負荷側では、有効圧縮比が徐々に下げられ、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２とＳＩ領域Ｂとの境界である負荷点Ｑで、約１５まで低下する。そして、上記負荷点Ｑを境に有効圧縮比がさらに１４程度まで下げられ、その後は最高負荷点Ｍまで１４のまま維持される。

上記のように、負荷点Ｐよりも高負荷側にあたる第２ＨＣＣＩ領域Ａ２およびＳＩ領域Ｂで有効圧縮比が徐々に下げられるのは、筒内温度や筒内圧力の過上昇による騒音やノッキングの発生等を防止するためである。なお、上記のような圧縮比の変化特性は、上記バルブタイミング制御手段５１およびＶＶＴ４２による吸気弁８の閉じ時期の制御によって得ることができる。

次に、図６を用いて空燃比の変化について説明する。本図によれば、第１ＨＣＣＩ領域Ａ１で、理論空燃比に対する空気過剰率λが、λ＝２〜３程度の間で変動的に設定される一方、第２ＨＣＣＩ領域Ａ２およびＳＩ領域Ｂでは、上記空気過剰率λがλ＝２（もしくはこれを越える近傍値）のまま一定に維持される。すなわち、図６によれば、エンジン負荷の全域で、空気過剰率λ≧２というリーンな空燃比が維持されるようになっている。

具体的には、まず無負荷状態における空気過剰率λがλ≒３に設定され、そこから負荷の増大とともに空気過剰率λが徐々に低下して（つまり空燃比がリッチにされ）、第１ＨＣＣＩ領域Ａ１と第２ＨＣＣＩ領域Ａ２との境界である上記負荷点Ｐでλ≒２になる。一方、上記負荷点Ｐよりも高負荷側にあたる第２ＨＣＣＩ領域Ａ２およびＳＩ領域Ｂ（つまり負荷点Ｐから最高負荷点Ｍまでの範囲）では、空気過剰率λがλ≒２のまま一定に維持される。なお、このような空燃比の変化特性は、上記インジェクタ制御手段５２によるインジェクタ１０からの燃料噴射量の制御によって得ることができる。

次に、過給量については、図７に示すように、第１ＨＣＣＩ領域Ａ１における過給量が低めに設定される（つまり自然吸気に近い吸気が行われる）一方、第２ＨＣＣＩ領域Ａ２およびＳＩ領域Ｂでは、負荷の増大とともに過給量が大幅に増大される。すなわち、当実施形態では、第２ＨＣＣＩ領域Ａ２およびＳＩ領域Ｂで、理論空燃比に対する空気過剰率λがλ≒２のまま変化しないため、このようなリーンな空燃比を維持しつつエンジン出力を適正に確保する（つまり燃料噴射量を増大させる）には、上記両領域Ａ２，Ｂで多量の空気を燃焼室５に送り込む必要があり、そのための措置として過給量が大幅に増大される。

具体的には、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２およびＳＩ領域Ｂにおける空気過剰率λがλ≒２一定であるため、最大で自然吸気時の２倍以上の空気を過給により燃焼室５に圧送することで、理論空燃比のときと同等もしくはそれ以上の出力を得ることができる。このため、当実施形態では、最大で自然吸気時の２倍以上の空気を燃焼室５に供給できるように、上記大型過給機２５および小型過給機３０の過給特性が設定されている。

なお、図７に示したような過給特性を得るために、上記大型過給機２５および小型過給機３０は、例えば以下のように使い分けられる。すなわち、エンジンの回転速度がある程度高い場合には、負荷の増大に伴って大型過給機２５が回転し始め、この大型過給機２５の作用で中負荷から高負荷にわたり過給量が大幅に増大することにより、図７のような過給特性が得られる。このため、エンジン回転速度が高いときは、基本的に小型過給機３０を作動させる必要はなく、上記第１・第２バイパスバルブ３６，３８は両方とも開弁される。一方、エンジン回転速度が低い場合には、負荷が増大しても大型過給機２５があまり作動せず、十分な過給効果が得られないため、上記第１・第２バイパスバルブ３６，３８の両方を閉じて小型過給機３０を作動させる必要がある。小型過給機３０は応答性に優れるため、エンジン回転速度が低くても負荷の増大とともに十分なスピードで回転し、これによって上記と同様の過給特性が得られる。このとき、必要に応じて電動モータ３４が作動して小型過給機３０の回転がアシストされる。

ここで、圧縮自己着火が起きる条件について簡単に考察する。圧縮自己着火が起きるか否かは、温度、圧力、空燃比等からなる複数のパラメータに依存する。具体的には、温度、圧力が高い方が圧縮自己着火が起き易く、また、空燃比がリッチな方が圧縮自己着火が起き易い。

図１２には、上記のような圧縮自己着火の特性を理解するための参考として、過給機を備えない自然吸気エンジンにおいて圧縮自己着火による燃焼が可能な領域が示されている。本図において、横軸は空気過剰率λ、縦軸は有効圧縮比を示しており、図中のラインＳは、化学反応計算に基づき算出された圧縮自己着火燃焼の下限ラインを示している。すなわち、この下限ラインＳよりも上側（高圧縮比側）の領域であれば、理論上、圧縮自己着火を引き起こすことが可能である。なお、ここでの下限ラインＳは、内部ＥＧＲ量（圧縮自己着火を促進するために部分的に燃焼室５に残留される既燃ガスの量）がゼロという条件で行われた化学反応計算に基づくものである。

また、自然吸気エンジンの場合、吸気量が限界に達してからは燃料の増加につれて空燃比がリッチ化され、このような空燃比の増減により出力が調整されるため、横軸のλの値はエンジン負荷に比例して設定される。つまり、λが大きく空燃比がリーンな横軸右側では負荷が小さく、λが小さく空燃比がリッチな横軸左側では負荷が大きいことになる。

図１２の下限ラインＳによれば、空燃比がリーンになる（つまりλが大きくなる）低負荷側ほど、圧縮自己着火を起こすために大きな圧縮比が必要となることが分かる。すなわち、空燃比がリーンであると圧縮自己着火が起き難くなるため、このようなリーンな空燃比下で圧縮自己着火を起こすには、有効圧縮比を高めて燃焼室の高温・高圧化を図る必要がある。ただし、有効圧縮比を高め過ぎると、燃焼反応が急峻になって騒音等の問題が生じる。図１２の破線のラインＳ’は、騒音面から想定される圧縮比の上限を表わしている。この上限ラインＳ’は、圧縮自己着火の下限ラインＳの比較的近傍に位置しており、このことから、圧縮自己着火は、上記下限ラインＳのできるだけ近傍で起こすことが望ましいと言える。

以上のような圧縮自己着火の特性を踏まえて、当実施形態において実行される圧縮自己着火燃焼の内容をより具体的に検証する。まず、エンジンの低負荷側に設定された上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１では、図５および図６に示したように、有効圧縮比が約１８、理論空燃比に対する空気過剰率λがλ≒２〜３に設定される。また、上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１では、図７に示したように、過給量はあまり高められず、自然吸気に近い状態で吸気が行われる。

図１２から理解できるように、上記のような燃焼条件では、本来、圧縮自己着火を自然に引き起こすことは困難である。すなわち、図１２によれば、λが２よりも大きいリーンな空燃比下では、理論上、有効圧縮比を１８よりも大きい値（例えば２０程度）まで高めなければ圧縮自己着火は引き起こされない。これに対し、上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１では、λ＞２というリーンな空燃比下でも有効圧縮比が約１８一定とされているため、燃焼室５内の温度・圧力が圧縮自己着火を引き起こすのに十分なレベルまで高まらず、失火が起きるおそれがある。

そこで、当実施形態では、上記のような条件下でも確実に圧縮自己着火を引き起こすために、少なくとも第１ＨＣＣＩ領域Ａ１のうちの低負荷側の領域では着火アシストを行う。着火アシストとは、圧縮自己着火が始まる前に点火プラグ１１から補助的に火花放電して圧縮自己着火を促進するというものである。これにより、上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１における圧縮自己着火燃焼が安定的に行われ、失火が確実に防止される。

さらに、当実施形態では、多噴口型のインジェクタ１０から複数の噴射口を介して１００ＭＰａ以上の高圧の燃料が燃焼室５に噴射されるようになっているため、燃料の微粒化が促進されて混合気の燃焼性が高まり、上記のような着火アシストによる効果と合わせて、圧縮自己着火燃焼を確実に引き起こすことができるものと考えられる。

次に、第２ＨＣＣＩ領域Ａ２について説明すると、第２ＨＣＣＩ領域Ａ２では、図５および図６に示したように、有効圧縮比が負荷の増大に応じて１８から１５へと徐々に低減される一方、空気過剰率λはλ≒２で一定とされる。また、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２では、図７に示したように、負荷の増大に応じて過給量が増大される。

このような燃焼条件下であれば、上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１のときと異なり、着火アシストに頼らなくても圧縮自己着火が確実に引き起こされると考えられる。すなわち、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２では、エンジンにかかる負荷が高く（つまり燃焼エネルギーが大きく）、かつ過給量が多いため、燃焼室５が比較的高温・高圧化することにより、着火アシストなしでも自然に圧縮自己着火が引き起こされると考えられる。

ただし、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２では、特にその高負荷側の領域において、圧縮自己着火による燃焼圧力が急激に上昇することにより、例えばディーゼルノックに似た比較的大きな燃焼騒音が発生するおそれがある。すなわち、第１ＨＣＣＩ領域Ａ１よりも高負荷側に設定された上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２では、負荷に応じた多量の燃料がインジェクタ１０から噴射されることにより、燃焼により生じるトータルのエネルギーが相対的に大きく、しかも、このような大きな燃焼エネルギーが短期間の間に生じることにより、図１３の実線波形に示すように、筒内の燃焼圧力が急激に上昇すると考えられる。すると、クランク角１°の間にどれだけ燃焼圧力が上昇するかを示す燃焼圧力の上昇率ｄｐ／ｄθが、第１ＨＣＣＩ領域Ａ１での燃焼時（破線で示す）に比べてかなり大きくなり、このような圧力上昇率の増大に起因した大きな燃焼騒音が生じるおそれがある。

もちろん、当実施形態では、このような燃焼騒音の発生を抑制するために、第２ＨＣＣＩ領域Ａ２での有効圧縮比を１８から１５まで徐々に低下させるようにしているが（図５参照）、このように有効圧縮比を低下させるだけでは上記燃焼圧力の上昇率（ｄｐ／ｄθ）を十分に抑制するには至らず、燃焼騒音が依然発生してしまうおそれがある。

そこで、当実施形態では、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２における少なくとも高負荷側の領域において、インジェクタ１０からの燃料噴射を複数回に分けて実行することにより、比較的エネルギーの低い燃焼を連続的に行わせ、全体として燃焼圧力の上昇率（ｄｐ／ｄθ）を低下させるようにしている。

次に、上記のような燃料の分割噴射について詳しく説明するが、その前に、１回の燃料噴射で圧縮自己着火を行わせる上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１での燃焼形態について説明する。

図８（ａ）（ｂ）は、上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１で噴射される燃料とそれにより生じる燃焼圧力の変化を、圧縮上死点後のクランク角との関係で示す図である。本図に示すように、上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１では、所定量の燃料が吸気行程中に１回噴射され（図８（ａ）のＩ）、その後の所定のクランク角範囲にわたって上記燃料が十分に空気と撹拌・混合されることにより、燃焼室５内に均一な混合気が生成される。そして、生成された混合気が圧縮行程を経て高温・高圧化することにより、圧縮上死点の少し手前で圧縮自己着火燃焼が起き（図８（ｂ）のＪ）、圧縮上死点を挟んだ所定範囲にわたって燃焼圧力が上昇する。このとき、必要な場合には（特に第１ＨＣＣＩ領域Ａ１の低負荷側では）、混合気の自着火をアシストするために、点火プラグ１１による着火アシストが行われる。

一方、第２ＨＣＣＩ領域Ａ２では、特にその高負荷側の領域で燃料噴射量が多くなるため、図８（ａ）のように一度に燃料を噴射すると、エネルギーの大きい燃焼が短期間の間に起きて燃焼騒音の原因になる。そこで、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２における少なくとも高負荷側の領域では、図９（ａ）（ｂ）に示すように、燃料を複数回に分割して噴射することにより、複数回の圧縮自己着火を連続的に行わせる。なお、図９（ａ）（ｂ）では、燃料の噴射を２回に分けて行う例が示されている。

すなわち、図９（ａ）（ｂ）の例では、まず、必要な燃料噴射量（エンジン負荷に応じた燃料噴射量）に満たない少量の燃料が、吸気行程中に１回噴射される（図９（ａ）のＩ１）。すると、これに応じたピーク圧力の低い圧縮自己着火燃焼が、圧縮上死点の手前で発生する（図９（ｂ）のＪ１）。次に、この１回目の圧縮自己着火燃焼（Ｊ１）が起きるのに合わせて、上記１回目の燃料噴射（Ｉ１）よりも多い量の燃料が、２回目の燃料噴射により供給される（Ｉ２）。これにより、上記１回目の圧縮自己着火燃焼（Ｊ１）よりもピーク圧力の高い圧縮自己着火燃焼（Ｊ２）が、上記１回目の燃焼に連続して発生する。

なお、上記のように、１回目の圧縮自己着火燃焼（Ｊ１）が起きるのに合わせて、２回目の燃料噴射（Ｉ２）を行うという動作は、筒内圧センサ６３の検出値に基づくＥＣＵ５０の制御により実現される。すなわち、１回目の圧縮自己着火燃焼（Ｊ１）が起きると、燃焼室５の圧力が瞬間的に上昇するため、この圧力の上昇が上記筒内圧センサ６３により検出される。すると、この筒内圧センサ６３からの検出信号を受けたＥＣＵ５０（より具体的にはそのインジェクタ制御手段５２）が、インジェクタ１０に対し瞬時に駆動信号を出力し、この駆動信号を受けたインジェクタ１０から、２回目の燃料噴射として所定量の燃料が噴射される。もちろん、上記１回目の圧縮自己着火燃焼（Ｊ１）が終了する前に２回目の燃料噴射（Ｉ２）を完了させるには、インジェクタ１０に対し優れた出力応答性が求められるが、当実施形態では、インジェクタ１０として、ピエゾ素子を用いた電子制御式のインジェクタが用いられているため、上記のような精密な燃料噴射制御も問題なく行うことができる。

図９（ａ）（ｂ）に示したように、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２では、吸気行程中および圧縮行程中の２回のタイミングに分けて燃料を噴射し、これによって複数回の圧縮自己着火燃焼を連続的に行わせるようにしたため、あたかも燃焼期間の長い１回の燃焼が起きたとき（図９（ｂ）の破線参照）と同じような圧力分布が得られ、トータルとして大きな燃焼エネルギーを生じさせて負荷に応じた適正なエンジン出力を確保しながら、燃焼圧力が急激に上昇することで生じる燃焼騒音を効果的に防止することができる。

ただし、図９（ａ）（ｂ）のように燃料噴射を２回に分割しただけでは、例えば第２ＨＣＣＩ領域Ａ２のうち最も高負荷側の領域（ＳＩ領域Ｂに近い領域）において、十分に騒音抑制効果が得られない場合も想定される。そこで、このような場合には、燃料噴射の分割回数をさらに増やしてやればよい。

図１０（ａ）（ｂ）には、燃料噴射を３回（Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３）に分割した場合に起きる圧縮自己着火燃焼（Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３）が例示されている。このように、分割回数を３回に増やすようにした場合には、２回に分割したときよりもさらに大きな燃焼エネルギーが確保されるとともに、燃焼圧力の急上昇がより効果的に抑制される。したがって、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２の範囲がかなり高負荷側まで拡大されている場合でも、負荷の増大に応じて上記燃料噴射の分割回数を増やすことにより、負荷に応じたより高いエンジン出力を確保しながら、燃焼騒音を効果的に防止することができる。

なお、図９および図１０の例では、圧縮自己着火による燃焼圧力の急上昇を抑制する（つまり燃焼を緩慢化させる）ために、圧縮行程中を含む複数のタイミングで燃料を噴射する分割噴射を実行するようにしたが、燃焼を緩慢化させるための方策はこれに限られない。例えば、図８に示したように１回の燃料噴射を行う場合であっても、この燃料の噴射時期をリタードさせれば、圧縮自己着火が相対的に起き難くなるため、燃焼をある程度緩慢化させて燃焼期間の長期化を図ることができる。もちろん、このような噴射時期のリタードにより燃焼を緩慢化させようとした場合、燃料を分割噴射する場合よりも得られる効果は低いが、ある程度の負荷域までであれば、上記噴射時期のリタードにより燃焼の緩慢化を図ることが可能である。

また、図９および図１０に示したように燃料を複数回に分割して噴射する場合、１回目の圧縮自己着火燃焼（Ｊ１）が起きる前に実行される燃料噴射（Ｉ１）は、必ずしも１回でなくてもよく、複数回に分けてもよい。以下では、このような噴射を行う場合も想定し、１回目の圧縮自己着火燃焼（Ｊ１）よりも前に行われる燃焼噴射（Ｉ１）を前段噴射、１回目の圧縮自己着火燃焼（Ｊ１）以後に行われる燃焼噴射（図９（ａ）のＩ２、または図１０（ａ）のＩ２，Ｉ３）のことを後段噴射という。

ここで、負荷の増大とともにエンジン出力を高めるには、燃料の噴射量を負荷に応じて増大させる必要があるが、上記のように燃料を複数回に分割して噴射する場合、前段噴射（Ｉ１）による燃料の噴射量は負荷にかかわらずほぼ一定に維持することが望ましい。

すなわち、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２では、負荷の増大とともに過給量が多くされ、これに伴い燃焼室５に流入する吸気量が増大するため、前段噴射（Ｉ）による燃料の噴射量（前段噴射量）を一定にすれば、負荷が高くなるほど上記前段噴射量に基づく空燃比はリーンになる。これにより、１回目の圧縮自己着火燃焼（Ｊ１）により発生する熱量が少なくなり、後段噴射（例えば図９（ａ）のＩ２）を実行するときの燃焼室５の温度・圧力が抑制される。この結果、後段噴射に基づく２回目以降の圧縮自己着火燃焼（例えば図９（ａ）のＪ２）において、その反応速度が急峻になるのを抑制でき、燃焼圧力の急上昇による燃焼騒音の発生を効果的に防止することができる。

しかしながら、燃料の分割噴射により燃焼騒音を防止するといっても限界があり、より多量の燃料を噴射する必要のあるエンジンの最高負荷域付近まで圧縮自己着火燃焼を継続させれば、より激しい燃焼が起きて大きな燃焼騒音が発生することが想定される。そこで、当実施形態では、図４等に示したように、エンジンの最高負荷域付近に設定されたＳＩ領域Ｂにおいて、火花点火によりコントロールされた燃焼を行わせ、上記のような燃焼騒音の発生を防止するようにしている。

最後に、上記ＳＩ領域Ｂでの燃焼形態について簡単に説明する。ＳＩ領域Ｂでは、点火プラグ１１からの火花点火により混合気が強制的に着火されて燃焼する。ただし、図６に示すように、エンジンの最高負荷域に近い上記ＳＩ領域Ｂでも、理論空燃比に対する空気過剰率λはλ≒２のままであり、通常通りの火花点火では失火が起きるおそれがある。

そこで、当実施形態では、点火プラグ１１から連続して複数回放電する多重点火をＳＩ領域Ｂにおいて行う。具体的には、点火プラグ１１から放電された火花の中にさらに火花を打ち込むといった連続的な火花放電を行って火炎核のエネルギーを増大させることにより、確実に燃焼を生起させる。

また、図５に示したように、上記ＳＩ領域Ｂでは、上記第１・第２ＨＣＣＩ領域Ａ１，Ａ２のときと異なり、有効圧縮比が１４程度まで下げられる。これにより、筒内温度・圧力の過上昇が抑制されるため、多重点火により混合気の確実な着火を図りながら、ノッキング等の異常燃焼を防止することができる。

なお、上記ＳＩ領域Ｂでの燃料噴射の回数は基本的に１回でよいが、例えばエンジンの最高負荷運転時には、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２のときと同様に、燃料を複数回に分割して噴射してもよい。このように、燃料を分割噴射すれば、噴射した燃料と筒内の吸気とが効率よくミキシングされて燃料の気化が促進されるため、その気化潜熱により混合気が冷却されてノッキング等の異常燃焼が防止されるという効果が期待できる。

また、燃料噴射に伴い筒内に強い乱れが生成されるため、火炎伝播速度が向上してノッキング等の異常燃焼が防止されるという効果も期待できる。

図１１は、以上のようなエンジンの各運転領域（Ａ１，Ａ２，Ｂ）に応じた圧縮比や空燃比、過給量、噴射時期等の制御により実現される燃焼の形態を負荷と燃焼期間との関係で示す図である。本図によれば、エンジン負荷にかかわらず、圧縮上死点の前後にわたる所定のクランク角範囲で燃焼が起きている。特に、エンジンの中高負荷域（第２ＨＣＣＩ領域Ａ２およびＳＩ領域Ｂ）では、分割噴射や多重点火等が実行されるとともに、有効圧縮比が下げられることで、燃焼の緩慢化が図られ、それによって燃焼期間が長期化していることが分かる。これにより、燃焼圧力の上昇率（ｄｐ／ｄθ）が低減され、燃焼騒音が効果的に抑制される。

一方、図１１において破線で示す領域は、従来通りの圧縮自己着火燃焼を高負荷域まで継続させた場合の燃焼期間を示している。なお、ここでいう従来通りの圧縮自己着火燃焼とは、吸排気弁８，９を共に閉じる所謂ネガティブオーバーラップ期間を排気行程中に設けて所定量の既燃ガスを燃焼室５に残留させ（内部ＥＧＲ）、このような内部ＥＧＲにより高温化した燃焼室５に直接燃料を噴射することにより、混合気を自着火させるというものである。このような内部ＥＧＲを利用した圧縮自己着火燃焼では、負荷が高まるにつれて燃焼反応が過敏になり、短期間のうちに燃焼が完了してしまう。すると、燃焼圧力の上昇率が高くなり過ぎて大きな燃焼騒音が起きたり、燃焼最大圧力が高くなり過ぎてエンジンの信頼性が損なわれたりするおそれがあるため、エンジンの低負荷域でしか圧縮自己着火燃焼を行わせることができないという問題があった。これに対し、上記実施形態では、内部ＥＧＲを利用することなく、有効圧縮比や燃料の噴射時期等を適宜調整することで圧縮自己着火燃焼を制御するようにしたため、上記のような燃焼騒音の発生やエンジンの信頼性低下等の問題を効果的に防止しつつ、圧縮自己着火燃焼で運転可能な領域（ＨＣＣＩ領域Ａ）をより高負荷側まで拡大することができる。

以上説明したように、当実施形態の過給機付き直噴エンジンでは、ＨＣＣＩ領域Ａのうち相対的に負荷の高い第２ＨＣＣＩ領域Ａ２で、比較的多量の空気を過給することによりλ≒２というリーンな空燃比を負荷にかかわらず実現し、このようなリーンでかつ一定の空燃比下で圧縮自己着火による燃焼を行わせるようにしたため、過給を利用して混合気をある程度高温・高圧化することにより、リーンな空燃比下でも混合気を確実に自着火させて燃焼させることができるとともに、負荷に応じた過給量の増大により十分なエンジン出力を適正に確保することができる。また、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２で燃料の分割噴射を実行することにより、負荷が比較的高いために急峻な圧縮自己着火燃焼が起き易い状況で燃焼を緩慢化することができ、燃焼圧力が急激に上昇することによる燃焼騒音（ディーゼルノックに似た大きな騒音）の発生や、燃焼最大圧力の増大によるエンジンの信頼性低下を効果的に防止することができる。

そして、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２を含む運転領域で、エンジン出力の確保や燃焼騒音の防止等を図りながら確実に圧縮自己着火燃焼を行わせることにより、圧縮自己着火燃焼で運転可能な領域（ＨＣＣＩ領域Ａ）をより拡大することができ、その結果、燃料消費量を効果的に削減しつつ、混合気の燃焼温度を低く抑えて燃焼室５から排出されるＮＯｘの量をより低減できるという利点がある。

さらに、上記実施形態では、圧縮自己着火燃焼が行われる上記ＨＣＣＩ領域Ａにおいて、有効圧縮比を通常のガソリンエンジンよりもかなり高い値（約１５以上）に設定し、これによって高温・高圧化した燃焼室５で圧縮自己着火燃焼を行わせるようにしたため、λ≧２というリーンな空燃比下でより確実に圧縮時着火燃焼を引き起こすことができるという利点がある。

特に、上記のように圧縮比がかなり高めに設定され、かつ過給が行われた状態で圧縮自己着火燃焼を行わせるようにした場合には、例えば圧縮自己着火を促進するための措置として、所定量の既燃ガスを燃焼室５に残留させる内部ＥＧＲを行う必要がないため、混合気の比熱比が低下することがなく、より大きな燃費改善効果が得られるという利点がある。

すなわち、有効圧縮比をε、混合気の比熱比をκとすると、オットーサイクルエンジンの理論熱効率ηは、下式（１）で表すことができる。

η＝１−（１／ε^κ−１）・・・（１）
したがって、有効圧縮比εを一定とすると、混合気の比熱比κが大きい方が理論熱効率ηが高くなり、より燃費が改善すると考えられる。

上記比熱比κは、気体分子を構成する原子数が多いほど小さくなる。例えば、空気（新気）に主に含まれるＮ₂やＯ₂等の２原子分子よりも、ＣＯ₂等の３原子分子の方が比熱比κが小さい。このため、内部ＥＧＲにより多量の既燃ガスを燃焼室５に残留させると、燃焼により生成されたＣＯ₂等の３原子分子が燃焼室５内の混合気に多く含まれることになり、その分だけ混合気の比熱比κが低下する。すると、上記式（１）による理論熱効率ηが低下し、燃費が悪化してしまうことが想定される。これに対し、上記実施形態では、圧縮自己着火のために内部ＥＧＲを利用する必要がないため、上記のような比熱比κの低下を招くことがなく、より大きな燃費改善効果が期待できる。

また、上記実施形態では、図８〜図１０に示したように、上記ＨＣＣＩ領域Ａのうち、エンジンの低負荷域を含む第１ＨＣＣＩ領域Ａ１で１回の圧縮自己着火燃焼を行わせる一方、上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１よりも高負荷側の第２ＨＣＣＩ領域Ａ２では、燃料を分割噴射して連続した複数回の圧縮自己着火燃焼を行わせるようにしたため、低負荷域での燃焼の安定化を図りながら、相対的に負荷が高い領域では燃料を分割噴射して連続した複数回の燃焼を行わせることにより、全体的に燃焼を緩慢化させて燃焼騒音の発生等を防止しつつ、負荷に応じた高いエンジン出力を適正に確保できるという利点がある。

もちろん、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２で燃料を複数回に分割して噴射する際には、特に後段噴射のときに、ごく短時間のうちに燃料を噴射して分散させる必要が生じるが、上記のように多噴口型のインジェクタ１０から燃料を高圧噴射して微粒化を図るようにした場合には、より短時間で燃料が分散および気化霧化するため、分割噴射された燃料を都度確実に燃焼させることができ、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２での燃焼制御性をより効果的に向上させることができるという利点がある。

さらに、上記実施形態では、多噴口型のインジェクタ１０が燃焼室５の上部中央付近に配置されているため、燃焼室５内で燃料を均一に分散させるのに有利であり、混合気の燃焼性を高めて燃費の改善やＮＯｘの低減等をより効果的に図ることができるという利点がある。

また、上記実施形態では、エンジンの低負荷域を含む上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１で、空燃比をλ≒２〜３に設定し、かつ有効圧縮比を幾何学的圧縮比とほぼ同じ１８程度まで高めるようにしたため、λ≒２〜３という極めてリーンな空燃比下でも、ディーゼルエンジン並みの高い圧縮比により高温・高圧化した燃焼室５内で確実に圧縮自己着火燃焼を行わせることができ、低負荷域での燃料消費量やＮＯｘ排出量をより効果的に低減できるという利点がある。

一方、上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１よりも高負荷側の第２ＨＣＣＩ領域Ａ２で圧縮自己着火燃焼を行わせる際には、負荷の増大とともに有効圧縮比を１８から１５程度まで徐々に低下させるようにしたため、筒内温度・圧力の最大値を圧縮比に比例して低減させることにより、上述したような燃料の分割噴射による効果と合わせて、比較的負荷が高い領域での圧縮自己着火燃焼をより緩慢化させて燃焼騒音の発生等をより効果的に防止できるという利点がある。

特に、上記実施形態では、第２ＨＣＣＩ領域Ａ２で有効圧縮比を１８から１５程度に低下させる操作を、吸気弁８の閉じ時期を吸気下死点に対し遅らせることで行うようにしたため、吸気弁８の閉じ時期を変更するだけの比較的簡単な構成で、適正にエンジンの圧縮比を調整できるという利点がある。

例えば、ピストン２のストローク量（圧縮上死点の位置）を変更することにより、エンジンの幾何学的圧縮比を変更することも考えられるが、このようにすると、ピストン２のストローク量を変更可能にするための機構として、クランク軸３の周辺に各種リンク機構等を設ける必要が生じ、構造が複雑化するという問題がある。これに対し、上記実施形態では、ＶＶＴ４２およびバルブタイミング制御手段５１からなる圧縮比調整手段により吸気弁８の閉じ時期を吸気下死点に対し遅らせ、これによって圧縮比を調整するようにしたため、より簡単な構成で圧縮比を調整できるという利点がある。

なお、上記実施形態では、エンジンの低負荷側に設定された第１ＨＣＣＩ領域Ａ１において、点火プラグ１１から補助的に火花放電する着火アシストを行うことにより、λ≒２〜３、有効圧縮比約１８という条件下で混合気を半強制的に圧縮自己着火させるようにしたが、上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１での有効圧縮比をさらに高めることにより、着火アシストなしでも圧縮自己着火が起きるように構成してもよい。

例えば、幾何学的圧縮比を約２０に設定するとともに、上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１での有効圧縮比を、負荷の増大に応じて２０から１８程度まで徐々に引き下げるようにすれば、上記のような着火アシストなしでも圧縮自己着火が起きるようになると考えられる。

また、上記実施形態のように着火アシストを行うようにした場合でも、λ≒３という極めてリーンな空燃比に設定される無負荷近傍の運転領域では、たとえ着火アシストを行っても圧縮自己着火を引き起こすことが困難な場合も想定される。そこで、このような運転領域では、燃焼形式を成層燃焼に切り替え、点火プラグ１１の近傍に局所的にリッチな空燃比を形成して火花点火により強制的に混合気を着火させるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、エンジンの最高負荷域付近に設定されたＳＩ領域Ｂで、λ≒２というリーンな空燃比下で火花点火による燃焼を行わせるために、上記点火プラグ１１から火花を連続して複数回放電する多重点火を行うようにしたが、エンジンの高負荷域でのリーン燃焼を実現するには、点火プラグ１１の放電によりできるだけ大きなエネルギーを混合気に供給すればよく、そのための具体的方策は上記のような多重点火に限られない。

例えば、航空機用ジェットエンジン等で実用化されているプラズマジェット点火を採用することが考えられる。図１４は、このようなプラズマジェット点火を行うための点火プラグ１１１および点火回路装置１１２の構成例を示す図である。

上記点火回路装置１１２は、点火プラグ１１１に火花放電用の電力を供給する点火コイル１１５と、この点火コイル１１５の２次側に接続されたプラズマ発生用のプラズマ放電回路１１６とを有している。プラズマ放電回路１１６は、例えば６００Ｖ程度の高電圧を生成可能な昇圧回路等からなる高圧電源１１６ａと、この高圧電源１１６ａから供給される電荷を蓄えるためのコンデンサ１１６ｂと、ダイオード１１６ｃとを有している。

上記点火回路装置１１２からの給電によりプラズマジェット点火を行う際には、まず、通常の火花点火と同じく点火コイル１１５の１次側で電流を遮断することにより、その２次側に数万ボルトにのぼる高電圧を発生させるとともに、これに伴い上記点火プラグ１１１の電極間に火花放電が発生するのと同時に、上記プラズマ放電回路１１６のコンデンサ１１６ｂから電荷を一気に放出させる。すると、上記点火プラグ１１１の電極間に極めて大きな放電エネルギーが瞬時に供給され、これにより生成されたプラズマが燃焼室５に噴出されることになる。

こうして燃焼室５に噴出するプラズマは、高エネルギーのラジカル種であり、非常に活性が高いことから、混合気への点火性に優れるものである。このようなプラズマジェット点火を利用すれば、上記ＳＩ領域Ｂでの混合気の着火性をより確実に高められると考えられる。

また、上記実施形態では、図１および図２に示したように、各気筒１Ａ〜１Ｄに対し点火プラグ１１を１つずつ設けたが、より着火性を高めるために、１気筒ごとに複数の点火プラグ１１を設けてもよい。例えば、図１および図２の例では、燃焼室５の上部中央付近に点火プラグ１１を設けたが、これとは別に、例えば吸気側の側方から燃焼室５を臨むような姿勢で２つ目の点火プラグを増設してもよい。

また、上記実施形態では、インジェクタ１０として、ピエゾ素子を用いた電子制御式のインジェクタを設けたが、優れた応答性でＯＮ／ＯＦＦを切り替え可能なものであればよく、例えば高速型のソレノイド式インジェクタであってもよい。

また、上記実施形態では、理論空燃比に対する空気過剰率λを、第２ＨＣＣＩ領域Ａ２においてλ≒２一定に維持するようにしたが、上記大型過給機２５および小型過給機３０の過給能力その他によっては、上記第２ＨＣＣＩ領域Ａ２での空気過剰率λをλ＝２よりも所定量大きい一定値に設定してもよい。

また、上記実施形態では、第２ＨＣＣＩ領域Ａ２およびＳＩ領域Ｂにおいて吸気弁８の閉じ時期を吸気下死点に対し遅めに設定することにより、エンジンの有効圧縮比を幾何学的圧縮比（当実施形態では約１８）よりも低下させるようにしたが、エンジンの有効圧縮比を下げるには、吸気弁８の閉じ時期を吸気下死点に対し所定量シフトさせればよく、そのシフト方向は遅角側および進角側のいずれでもよい。例えば、上記実施形態とは逆に、吸気弁８の閉じ時期を吸気下死点に対し早めたとしても、吸気量がその分減少することで有効圧縮比が低下する。

また、上記実施形態では、エンジンの低負荷域を含む第１ＨＣＣＩ領域Ａ１で、理論空燃比に対する空気過剰率λを負荷の増大とともにλ≒３からλ≒２まで徐々に低下させ、上記第１ＨＣＣＩ領域Ａ１よりも高負荷側の第２ＨＣＣＩ領域Ａ２およびＳＩ領域Ｂで、空気過剰率λをλ≒２に維持することにより、エンジン負荷の全域でλ≧２のリーンな空燃比を維持するようにしたが、先にも述べたように、このようなリーンな空燃比を維持可能なのは、基本的にエンジンの温間時であり、着火性が悪いエンジンの冷間時には、必要に応じλを２未満に低下させて空燃比をリッチ側に変更するとよい。さらに、エンジンの温間時であっても、排気通路１９に設けられる図外の排ガス浄化触媒の温度が活性化温度まで達していないような状況では、触媒を活性化させてその浄化性能を維持するために、一時的に空燃比をリッチ側に変更して排気ガスの温度を高めるようにしてもよい。

５燃焼室
１０インジェクタ
１１点火プラグ
２５大型過給機（過給機）
３０小型過給機（過給機）
ＡＨＣＣＩ領域
Ａ２第２ＨＣＣＩ領域（過給ＨＣＣＩ領域）
ＢＳＩ領域

Claims

吸入空気を加圧する過給機と、燃焼室に直接燃料を噴射するインジェクタとを備えるとともに、圧縮自己着火による燃焼が行われるＨＣＣＩ領域が少なくとも一部の運転領域に設定された過給機付き直噴エンジンであって、
上記過給機による過給に応じ、自然吸気時と比べて最大で２倍以上の空気が燃焼室に充填可能とされ、
上記ＨＣＣＩ領域の高負荷側の一部に、過給条件下での圧縮自己着火燃焼が行われる過給ＨＣＣＩ領域が設定され、この過給ＨＣＣＩ領域では、負荷が高いほど上記過給機による過給量が増大されることにより、空気過剰率λが２以上となるリーンでかつ一定の空燃比に維持されるとともに、圧縮行程中を含む複数のタイミングで上記インジェクタから燃料を噴射させる分割噴射が実行されることを特徴とする過給機付き直噴エンジン。
請求項１記載の過給機付き直噴エンジンにおいて、
上記ＨＣＣＩ領域のうち上記過給ＨＣＣＩ領域よりも低負荷側の領域では、１回の圧縮自己着火燃焼が実行され、上記過給ＨＣＣＩ領域では、燃料の分割噴射により連続した複数回の圧縮自己着火燃焼が実行されることを特徴とする過給機付き直噴エンジン。
請求項１または２記載の過給機付き直噴エンジンにおいて、
上記ＨＣＣＩ領域における有効圧縮比が約１５以上に設定されたことを特徴とする過給機付き直噴エンジン。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の過給機付き直噴エンジンにおいて、
上記ＨＣＣＩ領域よりも高負荷側に設定されたＳＩ領域では、点火プラグを用いた火花点火による燃焼が実行されることを特徴とする過給機付き直噴エンジン。
請求項４記載の過給機付き直噴エンジンにおいて、
上記ＳＩ領域では、理論空燃比よりもリーンな空燃比が維持されるとともに、上記点火プラグから火花を連続して複数回放電する多重点火が実行されることを特徴とする過給機付き直噴エンジン。
請求項４記載の過給機付き直噴エンジンにおいて、
上記ＳＩ領域では、理論空燃比よりもリーンな空燃比が維持されるとともに、上記点火プラグからプラズマを噴出させるプラズマジェット点火が実行されることを特徴とする過給機付き直噴エンジン。